2 proses material selection

Metallurgy and Materials Engineering DepartmentUniversity of Indonesia2007

PROSES PEMILIHAN MATERIAL

Agoes Pramono,ST.,MT

Kuliah B.K.T.KTeknik Kimia

University of Indonesia

Metallurgy and Materials Engineering Department UI

PEMILIHAN MATERIAL

Memilih material yang tepat merupakan kunci bagi para desainer untuk menghasilkan produk umumnya > 50% product cost berasal dari cost of

material Meski ada sekitar 80.000 – 100.000 jenis

engineering materials namun pada kenyataannya bisa dikelompokan pada 50 – 80 jenis tergantung dari ‘range aplikasinya”

Material : logam, polymer, elastomer, ceramis, gelas, komposit



Material Selection vs Design

Pemilihan material yang salah: Failure in service Terdapat cost yang

tidak perlu Material yang tepat:

Performance in service

Menentukan processing yang tepat



Tahapan Proses Design & Pemilihan Material



Tahapan Pemilihan Material

Level 1 (Conseptual Design): Berdasarkan properties tentukan apakah produk akan dibuat dari metal, plastik, keramik atau komposit

Level 2 (Conceptual Design): Tentukan apakah part logam akan dibuat melalui proses casting atau proses deformasi (wrought). Apakah part polimer dibuat dari thermoplastics atau thermo setting polimer

Level 3 (Configuration Design): Lebih sempit lagiMetal dapat C steel, stainless steel, copper alloys. Polimer terbagi menjadi thermoplastics atau thermosets (polycarbonates or polysters)

Level 4 (Detail Design): Pilih ‘spesific materials” sesuai ‘grade dan spesifikasinya”



Proses Pemilihan Material Pada New Design

Tentukan fungsi part yang akan dibuat Tentukan sifat material yang dibutuhkan

stiffness, strength, ketahanan korosi, cost, ketersediaan material (availability of materials)

Tentukan lingkup manufaktur nya berapa banyak part yang akan dibuat ukuran dan kompleksifitas part apakah membutuhkan toleransi ukuran/ surface finish seberapa jauh ‘level quality’ nya bagaimana dengan ‘fabricability material” nya



Proses Pemilihan Material Pada New Design (lanjutan) Bandingkan semua sifat sifat serta parameter yang ada pada

‘material data base’ untuk mencari/ menseleksi material yang diinginkan

(biasanya berupa pertanyaan :apakah material ini bisa kita seleksi / dijadikan kandidat untuk aplikasi yang diinginkan

Evaluasi ‘candidate material’ lebih detail product performance cost fabricability availability in the grade, size for the application

Menyusun data spesifik yang dibutuhkan ASTM, SAE (Society Automobile Engineer)

Untuk keperluan Nuklir atau Aerospace, dibutuhkan pengujian-pengujian lanjut --- sehingga didapat data yang lebih akurat



Substitusi Material pada Existing Design Alternatif material atau manufacturing route pada existing design

biasanya untuk: Reduction cost Improve performance

Langkah 1: karakterisasi material yang digunakan saat ini Performance, Proses manufacturing dan Cost

Langkah 2: Tentukan karakteristik mana yang akan di improve Hasil ‘failure analysis report’ terkadang memegang peranan

penting Langkah 3: Cari alternatif material atau manufacturing route Langkah 4: Seleksi candidate alternatif materials atau processing route

Buat estimasi cost of materials or manufacturing untuk membuat part (Value Engineering = membuang cost yang tidak diperlukan tanpa menurunkan kualitas produk)

Langkah 5: Evaluasi dan rekomendasikan material / prosesing route yang akan diganti



Pemilihan Material vs Proses

Material first approach: Pertama menseleksi material kemudian

dievaluasi manufacturing proses yang cocok Process first approach:

Desainer memulai dengan menseleksi semua kemungkinan manufacturing process, kemudian dipilih jenis material yang cocok



Karakteristik Material

Fungsional characteristics material biasanya ditandai dengan: Sifat fisik Sifat mekanik Sifat thermal Sifat electrical Sifat magnetic Sifat Optik

Sifat material berhubungan dengan ‘basic structure’, komposisi material serta ‘service performance”

Terdapat structure – property relationship dalam engineering materials (Effect of Composition, Processing and Structure on Materials Properties)



Material properties pada Material Selection



Sifat Metal, Ceramics dan Polymers



Contoh

Material dengan ‘best thermal shock resitance” Umumnya memiliki nilai:

σf/ Eα yang tinggi

σf = yield strength

E = Modulus Young’s

α = thermal coefficient of expansion



Hubungan Pemilihan Material dengan Proses Manufaktur

Tidak mudah Banyak terdapat berbagai jenis proses untuk

membuat part yang sama Tujuan : Kualitas maksimal dengan Cost yang

minimal



Finishing Process

Primary Shaping Process



Pemilihan Manufakturing

Faktor yang mempengaruhi Material melting point Hardness and ductility Size of part (berat, volume) Bentuk part Toleransi ukuran, surface finish

Polimer = very high surface smoothness



Cost dalam Pemilihan Material

Selalu terdapat hubungan antara Cost dan Performance (“ada rupa ada harga”)

Unit cost of part Material cost Capital cost of plant, machinery, tooling untuk

membuat part Labour cost

Berhubungan dengan jumlah part yang dibuat



Metode Pemilihan Material(cost per unit property method) Tie rod, solid silinder, panjang L, menahan beban P

dengan safety factor S Minimum massa= m = ALρ A = area cross section ρ = density L dan P tak bisa diubah (fix parameter)

P/A = σf/ S

m = (SP) (L) (ρ/ σf) Performance Index M = σf/ ρ

Jika M tinggi maka = didapat the lightest tie rod



Metode Pemilihan Material(cost per unit property method)

Sama halnya dengan “stiff tie rod” dapat digunakan performance index:

M = E/ ρE = modulus Young’s

Jika yang diinginkan meminimize cost dibandingkan dengan meminimize ‘berat”, maka ρ diganti dengan Cρ

C = cost per unit mass m = (SP) (L) (Cρ/ σf), juga M = σf/ Cρ



Metode Pemilihan Material(weighted property index method) Biasanya terdapat beberapa material yang akan

dipilih Menggunakan scalling factors

Nilai subjective Use of pairwise comparison

Biasanya Scaled property (β) = numerical value of property (X100) largest value in the list

Untuk cost, corrosion loss, wear rate: Scaled property (β)

= lowest value in the list (X100) numerical value of property



Subjective Value



Penggunaan weighted property index method

Contoh pemilihan material untuk cryogenic storage tank

Transport liquid natural gas (- 1960C) Harus memperhatikan sifat ductile-brittle-

transition Dibuat dengan cara welding (harus good

weldability) Harus tersedia dalam bentuk plate dengan

ketebalan yang dibutuhkan (availability)



Penggunaan weighted property index method Harus diperhatikan:

Mechanical properties Toughness High Yield Strength Stiffness

Stronger material = thinner tank walls = lighter tank = lower cool down losses

Lower density = lighter tank Lower specific heat = reduce cool down losses Lower thermal conductivity = reduce heat losses Lower thermal expansion = reduce thermal stresses Semua sifat-sifat tersebut dibandingkan Beri poin 1 untuk yang lebih penting dan poin 0 untuk yang

kalah penting



Pairwise comparison



Weighting factors

= 6 : 21

= 5 : 21



Candidate materials for cryogenic tank



Scaled Property and WP Index

Nilai tertinggi diberi nilai 100 35 = (273:770) X 100

x weighting factor



Ranking of materials

Cost of Unit Strength = C = ρ/σf = (berat jenis x relatif cost) / yield strength

Figure of merrit = WP index: cost of unit strength

2 proses material selection

Documents